界面附着力、防腐保护路径与结构 - 性能关系：可持续琥珀酰亚胺改性亚麻油环氧涂料的机理分析

《Progress in Organic Coatings》：Interfacial adhesion, corrosion protection pathways, and structure–performance relationships: A mechanistic analysis of sustainable succinimide-modified linseed oil epoxy coatings

　　

摘要
对环境可持续保护涂层日益增长的需求激发了人们对源自可再生资源的生物基环氧体系的广泛兴趣。在本工作中，提出了基于文献支持的机理分析，针对之前开发的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层，特别强调界面粘附、防腐保护途径、阻隔性能以及结构 - 性能关系。所开发涂层的保护行为归因于交联环氧网络、疏水亚麻籽油链段和极性琥珀酰亚胺官能团之间的协同相互作用。这些结构特征共同促成了减少了水分吸收，限制了氧气传输，限制了氯离子的渗透，增强了涂层与基材的粘附力，并抑制了金属/涂层界面的电化学腐蚀过程。讨论了先进的防腐保护途径，包括物理屏障屏蔽、疏水表面形成、抗膜下腐蚀以及减轻涂层分层。分析表明，增加的交联密度、强烈的分子间相互作用和增强的疏水性在提高涂层耐久性、环境耐受性和长期保护性能方面起着关键作用。除了其保护特性之外，所开发的涂层系统通过利用可再生亚麻籽油原料和减少对化石衍生材料的依赖，提供了重要的可持续性优势。这些发现提供了统一的机理解释，阐述了分子架构、粘附行为、阻隔性能和防腐保护效率之间的关系，基于此前报道的实验观察和文献支持的分析，突显了可持续生物基环氧涂层在先进工业保护应用中的潜力。

引言
腐蚀仍然是影响金属结构、海洋设备、管道、汽车部件和建筑材料的最严重挑战之一，导致重大的经济损失、运营效率降低和安全问题 [1], [2], [3]。保护性有机涂层被广泛用作一种有效的策略来减轻腐蚀，通过隔离金属基材免受恶劣环境条件的影响。然而，传统的石油基涂层通常与环境问题有关，涉及毒性、不可再生资源和挥发性有机化合物 (VOC) 排放 [4], [5], [6]。

作为对日益增加的环保法规和可持续性要求的回应，源自可再生资源的生物基涂层作为传统涂层系统的环境友好型替代品，引起了相当大的关注 [7]。植物油如亚麻籽油、大豆油、蓖麻油和腰果基油具有吸引人的化学官能团，允许它们转化为适用于涂层应用的聚合物材料 [8], [9]。在这些可再生资源中，亚麻籽油由于其高度的不饱和度、优异的成膜特性以及能够进行化学改性以生产性能增强的环氧树脂的能力，已成为特别有前途的前驱体 [9]。

最近的研究表明，生物基环氧涂层可以提供良好的粘附力、耐化学性、机械耐久性和防腐保护，同时减少对化石衍生材料的依赖 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]。此外，多功能交联结构和功能添加剂的引入已被证明可以提高涂层耐久性、热稳定性、阻隔性能以及对恶劣环境的抵抗力 [13], [18], [19], [20]。

最近特别的关注已被引导至琥珀酰亚胺改性环氧体系，因为它们能够引入极性官能团、增强分子间相互作用并改善涂层材料的物理化学性质 [13]。在我们之前的工作中，成功合成并表征了一种琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧树脂，展示了令人满意的机械性能、耐化学性和涂层性能 [13]。

尽管取得了这些进展，但仅限于理解分子结构、界面粘附行为和防腐保护性能之间的关系在琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层中。特别是，琥珀酰亚胺官能团、交联密度和疏水亚麻籽油链段在控制涂层耐久性和保护效率方面的机理作用在文献中讨论不足 [14], [17], [18]。

因此，本工作提供了一种机理和结构 - 性能导向的分析，针对可持续的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层系统。特别强调界面粘附行为、疏水屏障特性、防腐保护机制以及分子架构与涂层性能之间的关系。该研究旨在提供一个全面的科学框架，以理解这种可再生涂层系统的保护行为，并突显其在先进工业防腐保护应用中的潜力。

为了便于更清晰地解释所提出的保护机制，本工作整合了文献支持的示例，来自代表生物基环氧涂层系统，以及对之前开发的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层的机理解释。这种方法允许直接比较所提出的保护途径与相关涂层系统中实验报告的观察结果。

与主要关注生物基环氧涂层合成、表征或性能评估的以往研究不同，本工作建立了一个综合的机理框架，将分子架构、界面粘附、阻隔性能、防腐保护途径和结构 - 性能关系联系起来。通过将代表生物基环氧体系的知识与所开发的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层相结合，本研究提供了一种此前未报道的统一科学解释。

章节片段
所开发的生物基环氧涂层系统
所开发的涂层系统基于可持续的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧树脂，此前被报道为一种具有令人满意的物理化学和保护性能的可再生涂层材料 [13]。涂层架构旨在结合植物油衍生聚合物的环境优势与工业保护涂层的性能要求。

所开发涂层的防腐保护机制
所开发的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层的防腐保护性能受物理、化学和界面机制的组合控制。致密交联环氧网络、疏水分子链段和极性琥珀酰亚胺官能团之间的协同相互作用显著促成了涂层系统的长期保护效率 [13], [17], [18]。

与主要关注涂层合成或的以往研究不同
机械和热性能分析
对所开发的琥珀酰亚胺改性涂层的先前实验评估展示了良好的粘附力、2H 划擦硬度，和 70% 光泽度，同时成功通过了冲击和弯曲测试，并表现出优异的耐化学性。该涂层还抵抗水和测试的酸性介质超过 20 天，相比之下，空白配方为 15-16 天。这些实验报告的结果通过...为所提出的机理解释提供了定量支持

可持续性和环境影响
可持续涂层材料的开发已成为主要研究优先事项，由于日益增加的环保法规和人们对石油基聚合物可再生替代品的日益增长的需求 [[7], [14], [17], [35]]。在此背景下，植物油衍生的环氧体系代表了一类有前途的环境相容性材料，能够结合保护性能与可持续性目标 [8], [18]。

所开发的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧
工业应用
耐腐蚀性、界面粘附、疏水屏障特性和机械耐久性的结合使得所开发的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层成为一个有前途的候选者，用于广泛的工业保护应用 [20], [30], [32]。

在海洋环境中，金属结构持续暴露在水分、溶解盐和活性氯离子中，所开发涂层的疏水特性和屏障性能可以帮助
挑战和局限性
尽管可持续生物基环氧涂层具有令人满意的特性，但它们的大规模工业实施仍伴随着几个挑战 [7], [17], [18]。主要关注点之一是实现可持续性与性能之间的最佳平衡，因为一些生物基涂层系统与传统石油衍生的环氧涂层相比表现出较低的热阻或较慢的固化行为 [17], [31]。

本研究的一个重要局限性是
未来展望
可持续生物基环氧涂层的未来发展预计将侧重于设计结合耐腐蚀性、环境相容性和先进表面功能的多功能保护系统 [7], [17], [20]。特别的关注应指向自修复涂层的开发、抗菌表面、超疏水材料以及能够响应环境刺激的智能涂层。

从粘附的角度来看，未来
结构 - 性能关系分析
所开发的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层的保护性能强烈受分子结构、界面相互作用和宏观涂层特性之间的关系控制。理解这些结构 - 性能关系对于解释增强的耐腐蚀性、所开发的可持续涂层系统的粘附性能和耐久性至关重要 [13], [17], [18]。

尽管物理屏障保护是许多环氧所共有的
结论
本工作提出了全面的机理解评，针对可持续的琥珀酰亚胺改性亚麻籽油环氧涂层，强调界面粘附、防腐保护途径和结构 - 性能关系。分析表明，所开发涂层的保护性能源于交联环氧网络、疏水亚麻籽油链段和极性琥珀酰亚胺官能团之间的协同相互作用。

本工作的原创性
CRediT 作者贡献声明
M.M. Elsawy：写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。

参与同意
不适用。

发布同意
不适用。

资助
本研究未获得外部资助。

竞争利益声明
作者声明他们没有竞争利益。

M.M. Elsawy
埃及开罗纳斯尔城 11754，爱资哈尔大学女科学院化学系